动力电池PACK焊接性能研究

【摘 要】本文研究了镀锡铜极片与镍端子的可焊接性，并对其性能进行了测试，此方案表现出优良的可焊接性、抗拉强度性能，样件焊接温升、内阻较低，满足高的过电流要求，是一种高效的电池PACK焊接工艺。

【关键词】锂电池 PACK 点焊 电动汽车

【Abstract】The welding performance of tinned copper and nickel， which are used as cell connector and terminal respectively， were researched. This welding solution shows excellent welding ability and tensile strength， the increase of internal temperature caused by welding was lower. The sample also shows lower resistance which is suitable for rigorous requirement on current.

【Key words】Lithium Battery PACK Spot Welding Electric Vehicle

1 引言

随着国际能源供应的持续紧张及全球环境变暖、大气污染的不断加重，作为CO2排放及化石燃料消耗“大户”的传统燃油汽车逐步被绿色环保的新能源汽车取代成为一大趋势[1-3]。在此背景下，我国也大力发展新能源汽车特别是纯电动汽车，这不仅有利于降低对石油的依赖、保障我国能源安全，也利于我国的环境保护和可持续发展，同时实现我国汽车产业实现跨越式发展[4-7]。

作为新兴产业的纯电动汽车有广阔的发展前景，同时值得注意的是纯电动汽车是一个多领域跨学科的产业，仅技术领域就仍有诸多难点、瓶颈需要去研究突破。材料研发领域诸如提升电池能量密度及高压电解液研制[8]等；机械结构设计方面需要对电池PACK成组设计、工艺等深入的研究[9，10]。目前，锂电池PACK正不断向大容量、快速充电、长寿命和高安全性方向发展，对其制造过程中的焊接技术也提出了新的要求。主要问题是要针对电池装配与焊接过程的较高精度要求，解决不同材料、尺寸的连接片焊接问题，同时，还要满足快速、大批量和牢固焊接，这样才能应用于企业的批量生产。针对电池PACK中的焊接工艺，本文对镀锡铜-镍材料的点焊效果进行了研究，并与公司现有铜-铜焊接工艺进行了对比，验证了更改方案的可靠性及性能稳定性。

2 实验方法

本文采用本公司交流点焊机进行相关焊接操作，所用极片的规格为40*10*0.35（mm），材料分别为镀锡铜、紫铜；所用端子为公司现有规格，厚度为1mm，材料分别为镍、紫铜。首先对样品进行了抗拉强度测试，测试要求速度为50mm/min，焊接样品内阻测试采用HIOKI 3554型内阻测试仪进行，温度测试采用的是HUATO的HE804测温仪，利用GP/YWP 60型盐雾试验箱对样件进行了盐雾测试，其中NaCl浓度为5%，试验箱温度为50℃，饱和桶温度为47℃，测试湿度>85%，测试时间为30小时。最后对样件进行了过电流性能测试，测试设备为Neware CT-3008W-5V100A-TF型充放电测试柜，测试时给样件加50Amp电流持续通电，通电时间为200S。

3 实验结果

图1给出了公司现有工艺紫铜―紫铜方案（左）与镀锡铜―镍方案（右）的焊接对比图。如图所示，两方案均能实现有效的焊接效果。但是由于紫铜-紫铜焊接时需要进行打磨端子去除氧化等另行处理，工序较多且要投入更多的人工、工时；而镀锡铜-镍焊接无需相关操作，有效的降低了人力成本投入，降低了环境及噪声污染，是一种有效的焊接工艺。

图1 紫铜―紫铜方案（左）和镀锡铜―镍方案（右）焊接图示

为了更好的证实镀锡铜-镍的焊接效果，我们对样件进行了抗拉强度测试，测试时焊点出现松脱既停止测试并记录此时拉力数值，两方案的测试结果在表1种给出。从表1中的数据对比结果可以看出镀锡铜―镍方案抗拉强度均值大于紫铜-紫铜方案，且其稳定性好，数值均大于25kg，镀锡铜-镍方案的抗拉强度满足生产要求。

表1 紫铜―紫铜、镀锡铜―镍方案抗拉强度数据统计表

我们知道点焊是一种接触性的焊接工艺，是通过高温使得焊区材料熔化来实现有效焊接的。那么热量就必然的会通过端子金属传入电池内部。由于锂电池内部电解液在高温度下存在分解、产气的可能，这就对电池的安全性产生了威胁。所以焊接引起电池内部材料的温升将是一项重要的指标。因此，我们2中方案焊接温升进行了测试，测试时，焊接次数为连续焊接2次引起的温升。如图2所示，温感探头黏贴在盖板内侧的铜极耳处，具体的测试数据在表2中列出。

表2 焊接温升表

图2 焊接温升测试温感探头布置示意图

从表2中看出，镀锡铜―镍的方案的焊接温升较低，在安全温升范围内。而紫铜-紫铜的焊接温升较高，存在一定的隐患。为了解释焊接温升的差异，我们从唯象理论来对铜―铜方案和镀锡铜―镍方案的焊接温升进行分析。从表二我们看出，镀锡铜―镍方案所需的焊接电流较小，同时焊接时间较紫铜―紫铜方案少一个周波，依据Q=UIt，镀锡铜-镍方案所吸收的热量相对较少。铜的导热率为401W/（m*K），而镍的导热率为91 W/（m*K），考虑到空气的导热系数仅为0.024 W/（m*K），并且两方案通电过程中均处在相同的环境中，可以认为两者对空气的热传导基本相同。那么由于铜较高的导热率，热量会更快的分布于紫铜-紫铜样件中，使得盖板内部同样散布了较多热量；而镀镍铜-镍样件热量在镍中传导的变慢，降低对电芯内部的热扩散。最终使得镀锡铜―镍方案的内部温升较低。因此，通过温升测试结果看，镀锡铜―镍的方案更好的满足焊接温升要求。

随后我们对两方案盐雾测试前后的内阻进行了测试，测试结果在表3 中给出。

表3 紫铜-紫铜、镀锡铜-镍方案内阻测试数据统计表

从表3 可以得到以下结论：

（1）两方案在盐雾测试后内阻均有小幅的增大，紫铜―紫铜方案内阻增加约1%，镀锡铜―镍方案内阻增大约1.6%。（2）两方案两两相比，无论在盐雾测试前还是测试后，相差极小。盐雾测试前，镀锡铜―镍方案阻值较紫铜―紫铜阻值增大约0.3%；盐雾测试后紫铜―紫铜方案的阻值增大约0.97%。

通过此项测试可看出，虽然镍的导电率较铜的导电率低，但实际方案中镀锡铜―镍的内阻完全可以和紫铜―紫铜方案的内阻相比较，前者代替后者内阻变化基本可以忽略。

通过以上诸多测试我们发现无论是焊接内阻、焊接温升还是抗拉强度，镀锡铜―镍均表现出优良的性能。但是以上测试几乎都是焊接工艺的性能测试，其实际利用效果怎样仍需要进行过电流性能的测试，因此我们对镀锡铜-镍与紫铜-紫铜进行了过电流测试。如图3所示，在盖板内侧铜极耳处黏贴温感探头，连接到Data log读取实时温度并记录。图4给出了镀锡铜―镍方案在50A连续过电流情况下的温度变化关系，从图中可以看出，在整个测试过程中，10个样品的温度均为升高的趋势，在初始25S内温度变化较快，温度升高到35℃左右，温升在7℃左右。在经过200S连续通电后，各个样品的温升变化差别较大，温度最高的样品达到了54.2℃，温升达25℃；温度最低的样品温度为41.7℃，温升约为13℃。从图看出，经过200S过电流后，样品的最高温度在48℃左右变动。

图3 样件安装示意图

图4 镀锡铜―镍方案50A连续过电流温升图 图5 紫铜―紫铜方案50A连续过电流温升图

图5显示的是紫铜―紫铜方案在50A连续过电流情况下的温度变化关系。在整个测试过程中，10个样品的温度同样表现处连续升高的趋势，在初始25S内温度升高到37℃左右，温升在8℃左右。在经过200S连续通电后，温度最高的样品达到了58.2℃，温升达29℃；温度最低的样品温度为46.6℃，温升约为17℃。同时样品的最高温度在51℃左右变动。

为了更好的分析以上两种方案的过电流性能，将温度数据列入图表4中。

表4 镀锡铜―镍、紫铜―紫铜方案50A连续过电流温度变化表

从表4中看出，镀锡铜―镍方案的温升均低于紫铜―紫铜方案的温升，经过200S50A过电流后，前者温升比后者约低4℃。考虑到内阻测试中，两者内阻相差无几，依据焦耳定律Q=I2Rt，在通电时间、电流、内阻相同的情况下，其产生的热量是相同的，那么造成温升差异的就应当是比热容的差异造成的。铜的比热为0.39kJ/（kg*K），镍的比热为0.54 kJ/（kg*K），几乎为铜的2倍。依据Q= CMT，在吸收相同热量情况下，紫铜将会升高更高的温度。因此紫铜―紫铜方案在过电流测试中内部温升较镀锡铜―镍方案的温升高。

4 结语

本文通过对镀锡铜-镍、紫铜-紫铜方案的焊接性能对比测试发现，极片选用镀锡铜材质，端子选用镍材质的方案具有优良的可焊接性、抗拉性能，焊接过程中温升适当，内阻较低，完全满足高的过电流要求（50A）。而且此方案去除紫铜-紫铜方案中打磨铜端子带来的粉尘污染改善了工作环境（紫铜极易氧化，需要打磨才能焊接），是一个有效的PACK焊接工艺。

参考文献：

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